瑞薩 740 族 8 位單片機(jī)：功能特性與使用要點(diǎn)

引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，單片機(jī)作為核心控制元件，其性能和功能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的表現(xiàn)。瑞薩 740 族 8 位單片機(jī)以其獨(dú)特的指令系統(tǒng)和豐富的功能，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。本文將深入探討瑞薩 740 族單片機(jī)的特點(diǎn)、指令系統(tǒng)以及使用過(guò)程中的注意事項(xiàng)，為電子工程師們提供全面的參考。

文件下載：R5F211B1DD#U0.pdf

一、公司信息與產(chǎn)品背景

NEC 電子公司與株式會(huì)社瑞薩科技于 2010 年 4 月 1 日進(jìn)行業(yè)務(wù)整合，成立了瑞薩電子公司。盡管資料中可能仍保留舊公司名稱，但不影響資料的有效性。瑞薩電子公司官網(wǎng)為 http://www.renesas.com ，業(yè)務(wù)咨詢可通過(guò) http://www.renesas.com/inquiry 進(jìn)行。

二、740 族單片機(jī)概述

（一）指令特點(diǎn)

1. 高效指令群與豐富尋址方式：能有效使用 ROM 區(qū)，提高程序執(zhí)行效率。
2. 位操作與位測(cè)試/轉(zhuǎn)移指令：可對(duì)累加器、存儲(chǔ)器、I/O 進(jìn)行位操作，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。
3. 豐富中斷源與處理功能：能及時(shí)響應(yīng)各種外部事件，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
4. 變址尋址功能：對(duì)于字節(jié)單位處理和表參照功能表現(xiàn)卓越。
5. 十進(jìn)制運(yùn)算功能：無(wú)需軟件補(bǔ)正，方便進(jìn)行十進(jìn)制數(shù)據(jù)處理。
6. 存儲(chǔ)器與 I/O 運(yùn)算功能：不經(jīng)累加器就能進(jìn)行存儲(chǔ)器之間、I/O 之間以及存儲(chǔ)器與 I/O 之間的運(yùn)算。

（二）中央處理器

740 族的 CPU 包含 6 個(gè)寄存器，程序計(jì)數(shù)器（PC）為 16 位，累加器（A）、變址寄存器 X（X）、變址寄存器 Y（Y）、棧指針（S）及處理器狀態(tài)寄存器（PS）均為 8 位。硬件復(fù)位后，除標(biāo)志位 I 為 1 外，其他寄存器內(nèi)容不定，需用程序初始化。

1. 累加器（A）：8 位核心寄存器，常用于算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、暫時(shí)存儲(chǔ)和條件判斷。
2. 變址寄存器 X（X）和變址寄存器 Y（Y）：8 位寄存器，在尋址時(shí)可將操作數(shù)指定地址與變址寄存器內(nèi)容相加，用于訪問(wèn)子程序表和存儲(chǔ)表，還具備遞增、遞減、比較和數(shù)據(jù)傳送等功能。
3. 棧指針（S）：8 位寄存器，在中斷和調(diào)用子程序時(shí)，指向保存返回地址的存儲(chǔ)器地址。
4. 程序計(jì)數(shù)器（PC）：由 PCH 和 PCL 組成的 16 位計(jì)數(shù)器，指向下一個(gè)執(zhí)行指令的地址。使用棧指針或直接更改 PC 內(nèi)容時(shí)，需防止程序流程與 PC 內(nèi)容不一致。
5. 處理器狀態(tài)寄存器（PS）：8 位寄存器，包含 5 個(gè)表示內(nèi)部 CPU 運(yùn)算狀態(tài)的標(biāo)志和 3 個(gè)決定運(yùn)行的標(biāo)志。除中斷禁止標(biāo)志 I 外，復(fù)位后值不定，需初始化影響程序執(zhí)行的標(biāo)志，尤其是 T 標(biāo)志和 D 標(biāo)志。

三、指令系統(tǒng)詳解

（一）尋址方式

740 族有 19 種尋址方式，根據(jù)指令在程序存儲(chǔ)器中的字節(jié)數(shù)可分為 1 字節(jié)指令、2 字節(jié)指令和 3 字節(jié)指令。第一字節(jié)為操作碼，第二或第三字節(jié)為操作數(shù)，變址寄存器 X 與 Y 的內(nèi)容也會(huì)影響尋址。

1. 立即尋址：將操作數(shù)內(nèi)容指定為運(yùn)算數(shù)據(jù)，如 ADC #$A5。
2. 累加器尋址：直接將累加器內(nèi)容指定為運(yùn)算數(shù)據(jù)，如 ROL A。
3. 零頁(yè)尋址：將操作數(shù)指向的零頁(yè)區(qū)內(nèi)（地址 0016 - FF16）的存儲(chǔ)器內(nèi)容指定為運(yùn)算數(shù)據(jù)，如 ADC $40。
4. 零頁(yè) X 尋址：將操作數(shù)內(nèi)容和變址寄存器 X 內(nèi)容相加值所指向的零頁(yè)區(qū)內(nèi)的存儲(chǔ)器內(nèi)容指定為運(yùn)算數(shù)據(jù)，如 ADC $5E, X。
5. 零頁(yè) Y 尋址：將操作數(shù)內(nèi)容和變址寄存器 Y 內(nèi)容相加值所指向的零頁(yè)區(qū)內(nèi)的存儲(chǔ)器內(nèi)容指定為運(yùn)算數(shù)據(jù)，如 LDX $62, Y。
6. 絕對(duì)尋址：將第一操作數(shù)和第二操作數(shù)指向的存儲(chǔ)器內(nèi)容指定為運(yùn)算數(shù)據(jù)，如 ADC $AD12。
7. 絕對(duì) X 尋址：將第一操作數(shù)和第二操作數(shù)表示的數(shù)值與變址寄存器 X 內(nèi)容相加值所指向的存儲(chǔ)器內(nèi)容指定為運(yùn)算數(shù)據(jù)，如 ADC $AD12, X。
8. 絕對(duì) Y 尋址：將第一操作數(shù)和第二操作數(shù)表示的數(shù)值與變址寄存器 Y 內(nèi)容相加值所指向的存儲(chǔ)器內(nèi)容指定為運(yùn)算數(shù)據(jù)，如 ADC $AD12, Y。
9. 隱含尋址：用一條指令操作寄存器等，如 CLC。
10. 相對(duì)尋址：跳轉(zhuǎn)到程序計(jì)數(shù)器內(nèi)容和操作數(shù)內(nèi)容相加值所指向的地址，如 BCC * - 12。
11. 間接 X 尋址：將操作數(shù)內(nèi)容和變址寄存器 X 內(nèi)容相加值所指向的零頁(yè)區(qū)內(nèi)連續(xù) 2 個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)器內(nèi)容作為地址，將該地址的存儲(chǔ)器內(nèi)容指定為操作數(shù)據(jù)，如 ADC ($1E, X)。
12. 間接 Y 尋址：將操作數(shù)指定的零頁(yè)區(qū)內(nèi)連續(xù) 2 個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)器內(nèi)容和變址寄存器 Y 內(nèi)容相加值作為地址，將該地址的存儲(chǔ)器內(nèi)容指定為操作數(shù)據(jù)，如 ADC ($1E), Y。
13. 間接絕對(duì)尋址：跳轉(zhuǎn)到第一操作數(shù)和第二操作數(shù)指定的連續(xù) 2 個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)器內(nèi)容所指向的地址，如 JMP ($1400)。
14. 零頁(yè)間接絕對(duì)尋址：跳轉(zhuǎn)到操作數(shù)指定的零頁(yè)區(qū)內(nèi)連續(xù) 2 個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)器內(nèi)容所指向的地址，如 JMP ($45)。
15. 專用頁(yè)尋址：跳轉(zhuǎn)到低 8 位地址為操作數(shù)、高 8 位地址為 FF16 的特殊區(qū)內(nèi)的地址，如 JSR $FFC0。
16. 零頁(yè)位尋址：用操作碼的高 3 位指定第一操作數(shù)的內(nèi)容指向的零頁(yè)區(qū)的存儲(chǔ)器的特定位，如 CLB 5, $44。
17. 累加器位尋址：用操作碼高 3 位指定累加器中的位，如 CLB 5, A。
18. 累加器位相對(duì)尋址：用操作碼的高 3 位指定累加器的位，根據(jù)該位狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到程序計(jì)數(shù)器內(nèi)容和操作數(shù)內(nèi)容相加值所指向的地址，如 BBC 5, A, * - 12。
19. 零頁(yè)位相對(duì)尋址：用操作碼的高 3 位指定零頁(yè)區(qū)的存儲(chǔ)器的特定位，根據(jù)該位狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到程序計(jì)數(shù)器內(nèi)容和第二操作數(shù)內(nèi)容相加值所指向的地址，如 BBC 5, $04, * - 12。

（二）指令分類

1. 數(shù)據(jù)傳送指令：用于在寄存器之間、寄存器與存儲(chǔ)器之間以及存儲(chǔ)器之間傳送數(shù)據(jù)，如 LDA、STA、TAX 等。
2. 運(yùn)算指令：對(duì)寄存器或存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加減運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、比較、循環(huán)和移位，如 ADC、SBC、AND 等。
3. 位操作指令：對(duì)累加器或存儲(chǔ)器指定的位置“1”或置“0”，如 CLB、SEB。
4. 標(biāo)志設(shè)定指令：對(duì) C 標(biāo)志、D 標(biāo)志、I 標(biāo)志、T 標(biāo)志和 V 標(biāo)志置“0”或置“1”，如 CLC、SEC、CLD 等。
5. 跳轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)移和返回指令：改變程序順序，如 JMP、BRA、RTS 等。
6. 中斷指令：產(chǎn)生軟件中斷，如 BRK。
7. 特殊指令：控制振蕩和內(nèi)部時(shí)鐘，如 WIT、STP。
8. 其它指令：如 NOP，只進(jìn)行程序計(jì)數(shù)器 +1。

四、使用注意事項(xiàng)

（一）輸入/輸出端口

1. 待機(jī)狀態(tài)使用：在待機(jī)狀態(tài)下，避免將輸入/輸出端口的輸入電平置為不穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)于 N 溝道漏極開(kāi)路的輸入/輸出端口，需通過(guò)電阻上拉或下拉端口。
2. 位處理指令改寫(xiě)輸出數(shù)據(jù)：使用位處理指令改寫(xiě)輸入/輸出端口的端口鎖存器時(shí)，未指定的位的值可能發(fā)生變化，因?yàn)槲惶幚碇噶钍亲x - 改 - 寫(xiě)形式，以字節(jié)為單位進(jìn)行操作。

（二）未使用管腳處理

1. 輸出專用管腳：必須開(kāi)路。
2. 輸入專用管腳：各管腳需通過(guò) 1 - 10kΩ 的電阻連接到 VCC 或 VSS，電壓電平對(duì)運(yùn)行模式有影響的管腳需根據(jù)模式連接。
3. 輸入/輸出端口：設(shè)定為輸入模式時(shí)，通過(guò) 1 - 10kΩ 電阻連接到 VCC 或 VSS；設(shè)定為輸出模式時(shí)，在“L”或“H”輸出狀態(tài)置為開(kāi)路。
4. A/D 轉(zhuǎn)換電源管腳：不使用 A/D 轉(zhuǎn)換器時(shí)，AVSS 連接 VSS，AVCC 連接 VCC。

（三）中斷

1. 中斷請(qǐng)求位和允許位設(shè)定：按順序先將中斷請(qǐng)求位清“0”，再將中斷允許位置“1”，避免執(zhí)行不需要的中斷處理程序。
2. 更改關(guān)聯(lián)寄存器設(shè)定：設(shè)定外部中斷的有效邊沿或切換多個(gè)中斷源共用同一中斷向量的中斷源時(shí)，按特定步驟設(shè)定，防止中斷請(qǐng)求位變?yōu)椤?”。
3. 中斷請(qǐng)求位判斷：在將中斷請(qǐng)求寄存器的中斷請(qǐng)求位清“0”后，立即執(zhí)行 BBC 或 BBS 指令時(shí)，需先執(zhí)行 1 條指令。

（四）編程

1. 處理器狀態(tài)寄存器：預(yù)先對(duì)影響程序執(zhí)行的處理器狀態(tài)寄存器的標(biāo)志進(jìn)行初始化，尤其是 T 標(biāo)志和 D 標(biāo)志。參照 PS 內(nèi)容時(shí)，執(zhí)行 PHP 指令后讀 (S) + 1 的內(nèi)容，必要時(shí)執(zhí)行 PLP 指令恢復(fù)，執(zhí)行 PLP 指令后插入 NOP 指令。
2. BRK 指令：當(dāng) BRK 指令和其他中斷源是相同的中斷向量時(shí)，可根據(jù)標(biāo)志 B 的內(nèi)容判斷中斷發(fā)生源。在下述 2 種狀態(tài)下執(zhí)行 BRK 指令，從該中斷源中優(yōu)先級(jí)最高的中斷源的中斷向量地址開(kāi)始執(zhí)行中斷：中斷請(qǐng)求位和中斷允許位都為“1”；將標(biāo)志 I 置“1”后禁止中斷。
3. 十進(jìn)制運(yùn)算：進(jìn)行十進(jìn)制運(yùn)算時(shí)，通過(guò) SED 指令將 D 標(biāo)志置“1”，執(zhí)行 ADC 或 SBC 指令，在其后一條指令之后執(zhí)行 SEC、CLC 或 CLD 指令。十進(jìn)制模式下，N、V、Z 標(biāo)志無(wú)效，C 標(biāo)志可用于判斷進(jìn)位或借位，需在運(yùn)算前初始化。
4. JMP 指令：使用 JMP 指令（間接尋址方式）時(shí)，不能將低 8 位為“FF16”的地址指定為操作數(shù)。
5. 乘除指令：MUL、DIV 指令不受標(biāo)志 T 和標(biāo)志 D 的影響，執(zhí)行時(shí)處理器狀態(tài)寄存器內(nèi)容不變。
6. 端口：不能讀端口方向寄存器的值，需使用 LDM、STA 等指令設(shè)定方向寄存器。
7. 指令執(zhí)行時(shí)間：指令的執(zhí)行時(shí)間可通過(guò)機(jī)器指令一覽表中記載的周期數(shù)乘內(nèi)部時(shí)鐘 φ 的周期得到。

五、總結(jié)

瑞薩 740 族 8 位單片機(jī)以其豐富的指令系統(tǒng)和強(qiáng)大的功能，為電子工程師提供了廣闊的設(shè)計(jì)空間。在使用過(guò)程中，充分了解其特點(diǎn)和注意事項(xiàng)，能夠更好地發(fā)揮其性能，設(shè)計(jì)出高效、穩(wěn)定的電子系統(tǒng)。希望本文能為工程師們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中提供有益的參考，讓我們?cè)陔娮釉O(shè)計(jì)的道路上不斷探索和創(chuàng)新。